铁碳合金的基本相和组织

5.3.1　铁碳合金的基本相和组织

如前所述，纯铁在固态下有δ–Fe、γ–Fe和a–Fe三种同素异构体。通常所说的工业纯铁是指室温下的a–Fe，其强度、硬度低，塑性、韧性好。工业纯铁力学性能的大致范围为：σ_0.2≈100~170MPa，σ_b≈180~270MPa，δ≈30~50%，ϕ≈70%~80%，HB≈50~80，α_K≈18~25J/cm²。

在固态的不同温度下，铁的三种同素异构体都可以溶解一定量的碳形成间隙固溶体，铁和碳也可以形成金属化合物，因此在铁碳合金中的基本相有铁素体、奥氏体和渗碳体。

1.铁素体

a–Fe中溶入一种或几种溶质原子构成的间隙固溶体称为铁素体，用符号F或a表示。铁素体在仍然保持a–Fe的体心立方晶格。

由于体心立方晶格的间隙很小，溶碳能力很低，在600℃时溶碳量仅为ω_C＝0.006%，随着温度的升高，溶碳量逐渐增加，在727℃时，溶碳量ω_C＝0.0218%。而在室温下仅为0.0008%。因此，铁素体在室温时的性能与纯铁相似，强度、硬度低，塑性和韧性好。

铁素体的显微组织呈明亮的多边形晶粒，晶界曲折如图5-12所示。

碳在δ–Fe中的固溶体称为δ铁素体，又称高温铁素体，用符号δ表示。δ铁素体也是体心立方晶格，其最大溶碳量为1495°C时的0.09%。

2.奥氏体

在γ–Fe中溶入碳和（或）其他元素形成的间隙固溶体称为奥氏体，用符号A或γ表示。奥氏体仍保持γ–Fe的面心立方晶格。

由于面心立方晶格的间隙较大，因此溶碳能力也较大，在727℃时溶碳量ω_C＝0.77%，随着温度的升高溶碳量逐渐增多，到1148℃时，溶碳量可达ω_C＝2.11%。奥氏体的塑性、韧性好，强度和硬度较低，因此，生产中常将工件加热到γ状态进行锻造。

奥氏体也是不规则多面体晶粒，其显微组织与铁素体的显微组织相似，呈多边形，但晶界较铁素体平直，如图5-13所示。

碳钢室温下的组织中无奥氏体，但当钢中含有某些合金元素时，可部分或全部变为奥氏体组织。

图5-12　铁素体组织　400×

图5-13　奥氏体组织　400×

3.渗碳体

渗碳体是铁和碳相互作用形成的具有复杂晶格的间隙化合物，用分子式Fe₃C或C_m表示。渗碳体的ω_C＝6.69%，熔点为1227℃，硬度很高（约1000HV），塑性、韧性几乎为零，极脆。

渗碳体在铁碳合金中常以片状、球状、网状等形式与其他相共存，如能合理利用，渗碳体是钢中的主要强化相，其形态、大小、数量和分布对钢的性能有很大的影响。

渗碳体是介稳相，在一定的条件下，它将发生分解：Fe₃C®3Fe+C，所分解出的单质碳称为石墨，该分解反应对铸铁有着重要意义。由于碳在a–Fe中的溶解度很低，所以常温下碳在铁碳合金中主要以渗碳体或石墨的形式存在。

4.珠光体

铁素体与渗碳体的机械混合物称为珠光体，用P来表示。珠光体中C的质量分数为0.77%，性能介于铁素体和渗碳体之间，缓冷时硬度为180～230HBS（片状），抗拉强度为σ_b＝850MPa，伸长率为δ＝20%～30%，强度比铁素体高，脆性比渗碳体低，是钢的基本组织之一。

5.莱氏体

C的质量分数为4.3%的液态合金冷却到1148℃时，同时结晶出渗碳体和奥氏体的共晶体，该共晶体称为高温莱氏体，用Ld表示。而在727℃以下由珠光体和渗碳体所组成的莱氏体称为低温莱氏体，用Ld′表示。莱氏体硬而脆，是白口铸铁的基本组织。